水声换能器的互易校准

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第588页（3770字）

水声互易法校准用的三个换能器，其中一个是互易换能器(H)，另两个换能器是发射器(F)和水听器(J)，后两个只要求满足线性条件，在自由场远场中，将上述换能器按图11．4－4的排列，作三次测量，分别测量其转移电阻抗｜Z｜。根据电声互易原理，从这三个转移电阻抗值中，可以计算得到互易换能器和水听器的自由场灵敏度、互易换能器和发射器的发送电流响应。

这三次测量为：

(1)当发射器(F)发送，互易换能器(H)接收时〔图11．4－14(a)〕，其转移电阻抗｜Z_FH｜为：

图11．4－14 互易法校准原理图

式中 U_FH——互易换能器(H)置于发射器(F)的声场中产生的开路电压，V；

I_F——加到发射器(F)输入端的电流，A；

d_FH——发射器(F)和互易换能器(H)的声中心之间的距离，m；

p_d，FH——发射器(F)在离其声中心距离d_FH的互易换能器(H)的声中心处产生的声压，Pa；

M_H——互易换能器(H)的自由场灵敏度，V／Pa；

S_IF——发射器(F)的发送电流响应，Pa·m／A

(2)当发射器(F)发送，水听器(J)接收时〔图3．14(b)〕，其转移电阻抗｜Z_FJ｜为：

｜Z_FJ｜=U_FJ／I_F=M_JS_IF／d_FJ

式中 d_FJ——发射器(F)和水听器(J)的声中心之间的距离。

M_J——水听器(J)的自由场灵敏度，V／Pa。

(3)当互易换能器(H)发送，水听器(J)接收时〔图3．14(c)〕，其转移电阻抗｜Z_HJ｜为

｜Z_HJ｜=U_HJ／I_H=M_JS_IH／dH_j (11．4－23)

式中 d_HJ——互易换能器(H)和水听器(J)的声中心之间的距离，m；

S_IH——互易换能器(H)的发送电流响应，Pa·m／A，

从式(11．4－22)和(11．4－23)得：

｜Z_FH｜／｜Z_FJ｜=M_Hd_FJ／M_Jd_FH (11．4－24)

根据电声互易原理，互易换能器(H)在自由场远场的条件下应有：

M_H／S_IH=2／ρf=Js (11．4－25)

从式(11．4－23)和(11．4－25)可得：

｜Z_HJ｜=M_JM_H／J_sd_HJ (11．4－26)

于是从式(11．4－24)和(11．4－25)就可得到互易换能器(H)和水听器(J)的自由场灵敏度，分别为：

M_H=〔(｜Z_FH｜·｜Z_HJ｜／｜Z_FJ｜)·(d_FH·d_HJ／d_FJ)·J_s〕^1／2 (11．4－27)

M_J=〔(｜Z_FJ｜·｜Z_HJ｜／｜Z_FH｜)·(d_FJ·d_HJ／d_FH)·J_s〕^1／2 (11．4－28)

及互易换能器(H)和发射器(F)的发送电流响应分别为：

S_IH=〔(｜Z_FH｜Z·_HJ｜／｜Z_FJ｜)·(d_FH·d_HJ／d_FJ)·Js^－1〕^1／2 (11．4－29)

S_IF=〔(｜Z_FH｜·｜Z_FJ｜／｜Z_HJ｜)·(d_FH·d_FJ／d_HJ)·J_s^－1〕^1／2 (11．4－30)

根据互易法校准的原理，理论上对校准频率没有任何限制，但由于各种技术原因，实际上存在着高频限和低频限。

高频限

对于一定尺寸的换能器，校准时所需的最小距离随频率增加而加大，对于连续正弦信号或有一定带宽的噪声信号(在不考虑指向性的情况下)，直达信号与反射信号的相对幅值比与其声程比成反比，因此来自边界的反射声对直达声的干扰也随校准距离的增加而增大。当此相对幅值比大于30dB，即反射声的声程与直达声的声程之比大于30dB时，反射的影响将不大于0．3dB，当用脉冲声校准时，由稳态测量条件的要求，脉冲声中所需包含的最小周数，与由直达声、反射声的程差决定的脉冲声中能包含的最大周数决定了在一定水域中能对某一换能器用脉冲声校准的高频限。

此外高频限还与由媒质声吸收引起的声衰减有关，此声衰减随频率增加得很快，当频率为1MHz时，淡水中的声衰减为0．25dB／m，海水中为0．4dB／m。

低频限

一般压电型或电动型的换能器，在低于其最低谐振频率下，发送电流响应与频率或频率平方成正比例地减小，当频率低至某一值时，此类换能器在水听器处产生的声压，可低于环境噪声而无法检测。对有一定准确度要求的校准，此条件决定了校准的低频限。

当用脉冲声校准时，由稳态测量条件等的要求，声脉冲中应包含的最小周数不能少于两个，有限水域的大小又限制了声脉冲能具有的最大宽度，这些条件也限制了能校准的低频限。

在校准前应将换能器表面擦洗干净，并浸泡于水中一定时间，使换能器表面得到充分湿润，在测试过程中不附有气泡，以保证测试的可靠性。

换能器应预先在测试环境中所需深度处放置一定时间。一般不少于半小时，使换能器与环境温度、压力达到平衡，以保证换能器的性能在测试中保持稳定不变。

换能器应采用细线或弹性支架等方式悬挂，以避免由于支架引起的声反射或结构噪声干扰造成对换能器灵敏度的影响。

若在水池中进行测试时，应经常使水池的水保持干净，注意避免由于水质污染引起对测试的影响。

【参考文献】：

［1］IEC—327,Precision method for pressure calibration or one—inch standard condenser microphones by the reciprocity technique. 1971.

［2］1EC—486,Precision method for free—field calibration of one inch standard condenser microphones by reciprocity technique, 1974.

［3］IEC—150.Testing and calibration of ultrasonic therapeutic equipment, 1963.

［4］GB 3223－82，水声换能器的自由场互易校准

［5］GB 3785－83，声级计的电，声性能及测量方法

［6］GB 7341－87，听力计

［7］GB 7614－87，校准测听耳机用宽频带型仿真耳

［8］GB 7342－87，测听耳机校准用IEC临时参考耦合腔

［9］OIML R102，声校准器

［10］JJG 188－90，声级计

［11］JJG 698－90，积分声级计

［12］标准电容传声器有关国家标准及检定规程

［13］JJG 388－85，听力计